Космология. Космология изучает строение, происхождение, эволюцию и будущую судьбу Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют астрономия, физика и математика. Астрономия
 Скачать 38.63 Kb.
|
250 млн. $ | ||||
| | |
| |  |
Аппаратура для неоптической астрономии сильно отличается от традиционных телескопов (больше напоминает счетчики частиц, чем телескопы) и в большинстве случаев находится на борту спутников на орбите Земли, т.к. земная атмосфера поглощает почти всё электромагнитное излучение, идущее из космоса, кроме видимого. → на Земле объекты, испускающие это ЭМ-излучение нельзя зафиксировать.
Такая аппаратура используется с 1930-х гг. Первый искусственный спутник Земли с астрономической аппаратурой был запущен в 1957 г. СССР. Помимо астрономических, спутники выполняют военные, экологические, телекоммуникационные и др. задачи.
В соответствии с участками ЭМ-спектра выделились разные разделы неоптической астрономии:
Ø Радиоастрономияфиксирует радиоизлучение (ДВ).
Радиотелескоп состоит из трех частей: параболической антенны, усилителя сигналов и системы анализа и регистрации данных. Диаметр антенны обычно составляет десятки метров (до 300 м), ее можно перенаправлять в желаемом направлении неба.
Радиотелескопы чувствительнее самых мощных оптических телескопов в 2 раза → возможность изучения очень удаленных объектов (2-3 млрд. световых лет.).
Ø Инфракрасная астрономия.Телескопы для наблюдения в ИК-диапазоне устанавливают на большой высоте: на воздушных шарах, самолетах или чаще всего на спутниках. При помощи таких телескопов наблюдают относительно холодные объекты (планеты, пылевые облака).
Ø Ультрафиолетовая астрономия. Наблюдения почти полностью ведутся в космосе. Благодаря УФ-астрономии открыта потеря материи звездами в виде звездного ветра, подтверждены выбросы водяного пара кометами и мн. др.
Ø Рентгеновская астрономия.Наблюдения также ведутся в космосе. Благодаря такой аппаратуре было открыто рентгеновское излучение Солнца и зарегистрировано 350 космических источников рентгеновских лучей во Вселенной (пульсары и т.п.).
Ø Гамма-астрономия. В 1991 г. на орбиту запущен спутник, предназначенный для различных экспериментов в гамма-астрономии. Благодаря такой аппаратуре установлено диффузное излучение нашей Галактики и выявлены ядра галактик с особо интенсивным излучением.
3. Нейтринная астрономия – изучение процессов, происходящих в звездах, с помощью фиксации элементарных частиц нейтрино.
Нейтрино излучаются всеми звездами в результате ядерных реакций → это источник информации о процессах в космических телах.
Нейтрино– элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. Пока не ясен вопрос, имеют ли эти частицы массу (если да, то она очень маленькая, меньше 1/25000 массы электрона). Рождающиеся в Солнце нейтрино попадают на Землю в заметном количестве. Через 1 см2 земной поверхности постоянно проходят миллиарды нейтрино. Образовавшиеся в центре Солнца нейтрино не поглощаются окружающей материей, поэтому они способны очень быстро достичь Земли. С Земли можно обнаружить только «солнечные» нейтрино.
Для обнаружения нейтрино используют огромные баки с тетрахлорэтиленом. Атомы Cl, взаимодействуя с нейтрино, могут превращаться в Ar, тем самым обнаруживая попадание нейтрино. Чтобы избежать неожиданного проникновения посторонних сигналов в результате прохода частиц других типов, ловушки для нейтрино устанавливают высоко в горах (на высоте 1,5 км – Баксанское ущелье на Кавказе) или на морском дне. Однако и в этих огромных аппаратах выявляется всего несколько частиц в сутки.
4. Изучение объектов Солнечной системы. Осуществляется с помощью дистанционных лабораторий на борту автоматических межпланетных станций (с 1960-х гг.) – сейчас исследованы все планеты, кроме Плутона.
При запуске таких лабораторий стараются рассчитать моменты, когда хотя бы 2 планеты должны выстроиться на своих орбитах в линию («парад планет»), чтобы сэкономить и отправить зонд сразу на несколько планет.
Для исследования Плутона готовится зонд; но чтобы долететь до пункта назначения, ему потребуется почти 12 лет при скорости 18 км/с.
Внеатмосферная астрономия
Молодой раздел астрономии - внеатмосферная астрономия - изучает небесные объекты при помощи аппаратуры, вынесенной за пределы земной атмосферы. Различные приборы, установленные на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и автоматических межпланетных станциях (АМС), позволяют изучать космические объекты во всем диапазоне длин волн, начиная от жесткого гамма-излучения до километровых радиоволн. Поэтому современная астрономия стала всеволновой.
Примером современной заатмосферной обсерватории может служить советская автоматическая станция «Астрон», выведенная на околоземную орбиту в марте 1983 года. Высота апогея орбиты «Астрона» 200 000 км, что дает возможность 90 процентов времени вести наблюдения вне тени Земли и радиационных поясов. Главный инструмент станции — двухзеркальный телескоп «Спика» с диаметром главного зеркала 80 см. Оба зеркала имеют гиперболическую поверхность, что обеспечивает большое и высококачественное поле зрения.
В фокальной плоскости телескопа установлен ультрафиолетовый спектрометр, а приемниками света служат три фотоумножителя. В роли искателя для наведения на объект используется небольшой менисковый телескоп. Труба телескопа герметична, а вся конструкция сделана из материалов, практически не расширяющихся при нагревании. Точность наведения на объект 0,3 секунды дуги, что соответствует углу, под которым человеческий волос виден с расстояния 200 метров.
Изучение инфракрасного излучения в астрономии началось с того, что с его помощью провели точные измерения температуры поверхности и атмосферы планет Солнечной системы. Так в атмосферах Марса, Венеры и Юпитера был обнаружен углекислый газ. Инфракрасные наблюдения планет-гигантов позволили узнать структуру их атмосфер и обнаружить лед на спутниках.
Сенсационным открытием инфракрасной астрономии стала вода, обнаруженная в космосе в большом количестве. Она присутствует в газопылевых туманностях, кометах и на малых планетах.
Так как земная атмосфера сильно экранирует ультрафиолетовое излучение, его приемники приходится размещать на искусственных спутниках Земли. Проведенные в 1999 г. наблюдения дали очень интересные научные результаты. Оказалось, что в нашей Галактике широко распространены массы сильно нагретого (до полумиллиона градусов) межзвездного газа, находящегося на расстоянии от 5 до 10 тыс. световых лет от центральной плоскости Млечного Пути. Этот газ нагревается, скорее всего, в результате вспышек сверхновых звезд.
Источниками гамма-излучения являются вспышки на Солнце, ядра активных галактик, квазары. При помощи рентгеновских космических обсерваторий исследуются сверхновые звезды, туманности, нейтронные звезды, солнечная корона и вспышки на Солнце.
На околоземные орбиты ИСЗ выводят уникальные ультрафиолетовые, инфракрасные и оптические телескопы. Постепенно увеличиваются диаметры их главных зеркал, совершенствуется светоприемная аппаратура, повышается чувствительность приборов, разрабатываются новые методы стабилизации телескопов на орбите.
Земная поверхность — твердая, надежная опора для астрономических инструментов. Обеспечить стабильность на орбите куда труднее, чем на Земле. Но наземным наблюдениям мешает атмосфера. Этого «фильтра» вне атмосферы, естественно, нет.
наземная
Не следует, однако, думать, что с орбитальных обсерваторий небо выглядит совершенно черным и ничто не мешает наблюдениям. Исчезает свечение воздуха, вызванное разными причинами, но, увы, остается рассеянный свет межпланетной и межзвездной пыли. Бомбардировка микрометеоритами и частицами космических лучей портит оптику орбитальных телескопов, тогда как в наземных условиях этой помехи нет.
И все же астрономические наблюдения с орбит прежде всего ценны тем, что они свободно могут вестись в ультрафиолетовой и инфракрасной частях электромагнитного спектра. А ведь именно в этом диапазоне излучают некоторые загадочные космические объекты (пульсары, облака газа, втягивающегося в «черные дыры», сверхновые звезды, ядра галактик и др.).
Такая прочная опора, как земная поверхность, казалось бы, гарантирует создание наземных телескопов любых размеров. Но это далеко не так. С ростом телескопов возрастает и их масса, и тогда тяготение Земли существенно влияет на всю конструкцию телескопов, деформируя ее и тем препятствуя точности наблюдений.
Стоимость телескопа растет пропорционально его диаметру, а часто и быстрее. Но главная трудность в другом. Для конструкций массой в десятки тонн точность обработки зеркала не должна быть хуже 10-4—10-5 мм, что составляет примерно десятую долю длины световой волны. Если зеркало очень велико, оно прогибается под действием собственной массы, а значит, искажается и его рабочая оптическая поверхность.
Системы управления, обеспечивающие ведение телескопа, также должны гарантировать следование за объектом с точностью до 0,1 секунды дуги. Чем тяжелее телескоп, тем труднее это осуществить.
ИНФРАКРА́СНАЯ АСТРОНО́МИЯ, раздел астрономии, посвящённый исследованиям космич. объектов по их излучению в ИК-диапазоне длин волн (с длиной волны от ок. 0,8 мкм до ок. 1 мм) (см. Инфракрасное излучение). В задачи И. а. входит также изучение механизмов данного излучения.
ИК-излучение Солнца было открыто в 1800 У. Гершелем. В 1856 брит. астроном Ч. Пиацци-Смит с помощью термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. В 1878 С. Ленгли изобрёл болометр (тепловой детектор), с помощью которого было измерено тепловое излучение Солнца, Юпитера и Сатурна, а затем и некоторых наиболее ярких звёзд (Веги и Арктура). В 1920-х гг. амер. астрономы приступили к систематич. ИК-мониторингу ночного неба. Прогресс в развитии И. а. долго сдерживался отсутствием эффективных детекторов излучения. В сер. 1950-х гг. в астрономич. исследованиях стали использоваться полупроводниковые детекторы ИК-излучения (фотосопротивления и болометры с охлаждением). В 1961 амер. астроном Ф. Лоу создал высокочувствительный полупроводниковый болометр, регистрирующий дальнее ИК-излучение. Первый космич. ИК-телескоп с зеркалом и детекторами, охлаждаемыми жидким гелием, был установлен на спутнике IRAS (InfraRed Astronomical Satellite; Нидерланды, США, Великобритания, 1983).
Атмосфера Земли непрозрачна для волн ИК-диапазона (за исключением отд. узких полос), что объясняется поглощением ИК-излучения пара́ми воды, углекислым газом и озоном. На выс. 10–15 км водяной пар почти отсутствует, т. к. давление насыщенного водяного пара сильно зависит от темп-ры, понижающейся с высотой в тропосфере. Это увеличивает прозрачность атмосферы в ИК-диапазоне и позволяет проводить астрономич. наблюдения в достаточно сухих областях высокогорий: в Андах (на территории Чили), на вершинах Гавайских о-вов и т. п. (рис. 1, 2). В Антарктиде на выс. ок. 5 км строится ИК-обсерватория с 3-метровым телескопом. Полностью снять проблему поглощения волн ИК-диапазона позволяет внеатмосферная астрономия.
РЕНТГЕ́НОВСКАЯ АСТРОНО́МИЯ, раздел астрономии, посвящённый исследованиям космич. объектов по их рентгеновскому излучению (с энергией фотонов от 0,1 до 100 кэВ), а также изучению механизмов данного излучения. Земная атмосфера не пропускает рентгеновское излучение, поэтому Р. а. относится к области внеатмосферной астрономии.
Ярчайшим космич. рентгеновским источником на небе является Солнце (светимость горячей хромосферной и корональной плазмы в рентгеновском диапазоне при вспышках достигает 1019– 1020 Вт), что было установлено амер. астрономами в 1948 при ракетных запусках газоразрядных рентгеновских детекторов. Первый по яркости рентгеновский источник за пределами Солнечной системы (Scorpius X-1) с потоком излучения порядка 10–10 Вт/м2 обнаружен в 1962 группой амер. астрономов под рук. Б. Росси и Р. Джаккони. В 1970–1973 первый специализиров. спутник для исследований в рентгеновском диапазоне (Uhuru, США), проведя обзор всего неба с чувствительностью порядка 10–14 Вт/м2, обнаружил св. 300 точечных галактич. и внегалактич. рентгеновских источников и диффузное рентгеновское излучение горячего газа в скоплениях галактик. Первый рентгеновский телескоп с разрешением в неск. угловых секунд и чувствительностью 3·10–17 Вт/м2, рассчитанный на энергию фотонов 0,2–20 кэВ, функционировал на амер. спутнике в 1978–81.
Объектом исследования Р. а. является горячее вещество Вселенной. Это газ, разогретый до температур 107–108 К при аккреции вещества в тесных двойных звёздах или в активных ядрах галактик, газ в скоплениях галактик, горячие атмосферы одиночных нейтронных звёзд. Механизм генерации рентгеновского излучения в этих источниках тепловой. Источником нетеплового рентгеновского излучения (напр., синхротронного излучения) могут быть радиопульсары, ударные волны в остатках вспышек сверхновых звёзд, релятивистские струи из ядер активных галактик и квазаров, горячие короны аккреционных дисков в тесных двойных звёздах, Солнце во время вспышек и т. д. Особый интерес представляют рентгеновские пульсары – аккрецирующие нейтронные звёзды с сильным магнитным полем (1012–1013 Э): в рентгеновских спектрах этих источников наблюдается линия поглощения, связанная с резонансным рассеянием фотонов в сильном магнитном поле на циклотронной частоте. Диагностику космич. плазмы в рентгеновском диапазоне проводят по флуоресцентным эмиссионным линиям ионов металлов (напр., линии Kα нейтрального железа с энергией ок. 6,4 кэВ). Изучение профиля этих линий вблизи компактных релятивистских объектов даёт информацию о скорости движения аккрецирующего вещества и характеристиках (массе, моменте импульса) центр. объекта.
Ныне на орбите работают рентгеновские обсерватории нескольких стран (США, Европ. космич. агентство, Япония), рассчитанные на регистрацию фотонов с энергией от 0,1 кэВ до 150 кэВ. В 2016 планируется запуск рентгеновского спутника (Россия, Германия), осн. задача которого – получение обзора всего неба с чувствительностью 10–17 Вт/м2 для задач космологии.
ГАММА-АСТРОНОМИЯ, раздел астрономии, изучающий космические объекты по их излучению в самом коротковолновом диапазоне электромагнитных волн - гамма-диапазоне. Процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, связаны в основном с взаимодействием ускоренных электронов, нуклонов и ядер с веществом, электромагнитным излучением и магнитным полем. Быстрые электроны, двигаясь в среде, генерируют тормозное излучение, энергетический спектр которого простирается от нуля до энергии рождающих его электронов. Взаимодействуя с низкоэнергичными фотонами (реликтовым излучением, оптическим излучением звёзд и др.), электроны испытывают обратное комптоновское рассеяние, передавая фотонам свою энергию. В очень сильных магнитных полях высокоэнергичные электроны могут рождать синхротронное гамма-излучение. Нуклоны и ядра с энергиями в десятки и сотни МэВ при столкновениях с веществом окружающей среды вызывают ядерные реакции, сопровождаемые линейчатым гамма-излучением, а при более высоких энергиях они рождают при взаимодействиях π0-мезоны, которые почти мгновенно распадаются на гамма-кванты с характерным энергетическим спектром, имеющим максимум при энергии около 70 МэВ. Все эти разнообразные процессы формируют сложный энергетический спектр гамма-излучения, подробный анализ которого даёт возможность исследовать состав и спектры высокоэнергичных заряженных частиц. Высокая проникающая способность гамма-излучения позволяет наблюдать его источники через облака межзвёздного газа и пыли. Впервые космическое гамма-излучение было зарегистрировано американским спутником «Explorer-11» в 1961 году.
Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.
Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.